KR950006874B1 - 관소(管巢)연소형 연소기(Combustor)를 구비한 가스터어빈 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

관소(管巢)연소형 연소기(Combustor)를 구비한 가스터어빈 장치

제1도와 제2도는 본 발명의 관소연소형 장치를 갖춘 가스터어빈 시스템의 각각 한 실시예의 개략도.

제3도는 본 발명의 관소연소형 연소기의 한 실시예.

제4도는 제3도의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도.

제5도는 본 발명의 관소 연소형 연소기의 다른 한 실시예.

제6도는 제5도의 단면도.

제7도는 본 발명의 관소 연소형 연소기의 다른 실시예.

제8도는 제7도의 관소 연소형 연소기안의 코일 모양수관의 한실시예.

제9도는 종래형 가스 터어빈 시스템의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 로내열흡수용수관 2 : 로벽수냉관

3 : 증기드럼 4 : 관헤드

5 : 버어너 6 : 수면

G₁: 제1발전기 CP : 압축기

CB : 연소기 B : 배기열회수형 보일러

ST : 증기터어빈 G₂: 제2발전기

Cn : 콘덴서 GT : 가스 터어빈

본 발명은 본출원인의 한 사람의 발명으로 된 열흡수용 수관내삽형 연소실 소위관소형연소기(일본국 특허 공개 헤이세이 2-272207. 일본국 특허 공개 헤이세이 2-178502)를 가스터어빈의 연소기(combustor)에 적용하는 것에 의해 종래의 가스터어빈의 연소기 부분을 개량하고 NOx발생량이 낮은 CO 및 미연소탄화수소(UHC)가 발생하는 것이 없는, 종래의 보일러의 연소실에 비교해서 그 연소실 사이를 현저히 작게 할 수가 있는 연소기를 종래의 가스터어빈에 부설함으로써 가스터어빈장치의 이용범위를 크게 넓히는 일이 가능케하는 관소연소형 연소기를 갖춘 가스터어빈 장치에 관한 것이다.

종래 가스터어빈의 연소기는 발전용, 산업용 또는 가스터어빈, 증기터어빈 컴바인드 사이클(복합발전)용이나 소위 가스터어빈 코제네레이숀(열전병급)용으로 증용되어있다.

그렇지만 종래의 모든 가스터어빈에 공통한 과제로써 아래에 기재하는 바와 같이 문제점이 있다. 그 제1의 문제점은 종래의 가스터어빈에서는 소위 카루노-사이클의 이론 효율에 표시되는 것같이 입구 가스온도가 높은 편이 열효율이 높아지기 때문에, 되도록이면 가스터어빈의 익열(翼烈)으로 유입하는 입구가스의 온도를 높게 하려고 한다.

그러나 실제로는 가스터어빈 날개(翼)이나 연소기 각 부분의 내열성과 연소실 경감등의 이유로, 예를 들어 현재 상황에서는 터어빈익열의 가스 터어빈입구의 가스온도를 900~1100℃로 억제하고 있다. 물론 이런 공기비 가까이서 완전연소 시키면, 소위화석연료의 연소온도는 2130℃정도로 되지만, 상기와 같이 이유로해서 연소기도 가스터어빈 날개도 그 온도를 내리지 않으면 실용으로 되지 않기 때문에 연소기에 공급되는 공기중, 실제의 연소에 관여하는 공기, 소위 연소공기는 공급공기의 35~40%정도밖에 없고, 그 이외의 20%정도가 연소가스의 온도를 내리기 위한 희석공기로써 투입되어 나머지 40%는 연소기나 가스터어빈날개등의 각부분의 소손방지용의 냉각공기로써 투입시키고 있는 것이 현상태이다.

상기 제1의 문제점은 가스터어빈장치에 있어서는 현저히 중요하고, 일단 고온으로 된 연소가스의 온도를 희석공기로 내려, 한편 연소기나 터어빈날개등의 내열온도를 올리기 위해, 냉각용 공기를 사용하고 있는 것이며, 이에는 희석공기에 의한 연소가스의 냉각이라는 소위 액세루기(exergy=불가역)손실 말고도, 또 그것 냉각용공기가 작업을 하지 않는 것에 의한 터어빈 작업의 감소나 냉각공기를 터어빈 날개면이나 연소기, 터어빈등의 유로벽으로 부터 분출하는 것에 의한 터어빈 공기력 성능의 저하, 동익(動翼)냉각공기의 펌핑손실, 냉각공기가 주류(主流)가스와 혼합하고, 주류가스가 냉각되는 것에 의한 손실등이 있고, 더우기 연소가스량의 증가에 의한 압력손실의 증대라는 큰 엑세루기 손실이 발생하고 있어, 그들 손실량의 합계는 터어빈일로 환산해서 10%정도를 넘어, 가스온도의 상승에 의해 얻어지도록된 출력 및 열효율에 있어서의 이익을 대폭으로 감소시키고 있다.

그리고 더욱 주목해야 할 일은 상기와같이 대량의 희석공기의 냉각공기로 과대량이된 연소배기가스로부터 그후에 있어서 배기열을 회수한다는 것이 현상태이지만, 그 배기가스량이 통상의 보일러와 같이 O₂=1~3%로 연소시키는 것과 비교하면 3~5배 정도이여서, 현저히 대량으로 된다. 그 때문에 후류(後流)의 기기 즉 배기열(排氣熱) 회수형 보일러, 다트, 탈초(脫硝)장치 및 굴뚝등이 모두 3~5배의 용적량이 필요케되어, 현저히 비경제적이다. 이것을 역으로 생각하면 현재 상황의 컴바인드사이클이나 코제네레이숀은 연구여하에 따라서는 1/3~1/5이하의 용적량으로 할 수 있다는 것이된다.

다음에 제2의 중요한 문제점은 터어빈 날개입구가스온도가 1300℃이상으로 되면 필요한 냉각공기량을 현 상태보다 각별히 감소시키는 일이 필요하며, 터어빈날개등의 냉각기수의 혁신이 기대됨과 동시에 이것에 대응하는 다른 기술 즉 수냉이나 증기에 의한 냉각도 필요케된다.

제3도의 문제점을 열손실의 문제여서, 상기와 같이 연소가스온도를 내리기 위하여 통상의 보일러 연소공기의 3~5배 가까운 희석공기나 냉각공기를 투입하므로 배기 가스량이 3~5배가 되고, 따라서 각기기의 크기가 3~5배가 되고, 그 방열손실도 그에 상응해서 크게 되는것 이외, 배기가스에 의한 열손실 자체가 3~5배로도 된다는 말이다. 역으로 생각을 하면, 이들 방열손실이나 배기가스 손실은 연구여하에 따라서는 현상태의 1/3~1/5로 할 수 있다는 것이 된다.

상기와 같이 해서 가스터어빈 자체도 그 브레이드(Blade)(날개)의 냉각용으로, 또 공기등이 사용되고 있어, 결국 그 배기가스중의 산소농도(O₂%)는 15~16%에도 도달한다. 더우기 연소기중의 연소온도는 높아지므로 발생하는 NO_x농도는 높고, 현상태의 대비책미비로 통상 도시가스(13A)로 95~240ppm(O₂=16%), 이것을 O₂=O%로 환산하면 400~1000ppm으로도 되어 있다.

그 많은 정도는 보일러가 O₂=O%환산으로 60~220ppm으로 규제되어 있는 것과 비교하면 상기 NO_x값은 5배 이상이 되어 현저히 크다는 것을 알 수 있다.

제4의 문제점은 상기와 같은 가스터어빈 플랜트, 소위 컴바인드사이클이나 코제네레이숀에서는 특히 금후는 대규모의 탈초장치를 부설하는 일이 불가결하게 되어, 그 때문의 비용, 크기, 공간등의 문제가 중요하게 된다. 이들문제는 금후 더욱 가스터어빈입구 온도를 올리고 싶다는 수요자의 요망이 크게 됨으로 해서, 금후 점점 중대한 문제가 되는 것으로 생각된다.

제5의 문제점은 종래의 가스터어빈 증기터어빈 컴바인드 사이클 혹은 코제네레이숀에 있어서, 배기가스중의 O₂가 15~16%정도로 높고, 이대로 배출하는 것을 불경제적인 것으로 해서, 배기열보일러의 상류측에 닥트버어너를 마련해서 여기에 연료를 공급해서 배기가스중의 잔존 O₂를 이용해서 연소시켜, 연소가스 온도를 올려서 배기열 보일러에 이어서의 회수증발량을 증가한다는 방법이 택해져 있다. 이 방법에 의하면, 큰 닥트버어너와 그 연소실에 상당하는 긴 닥트가 필요해지는 외에, 내열이나 방열의 관계로부터 온도의 상승에 한도가 있고, 또 출구의 O₂는 10%정도까지 밖에 내려가지 않고, 결국 O₂%가 높은 배기가스 그대로 방출않으면 안되고, 그 때문에 배기열 손실은 회수안되는 채로 남는다.

종래의 가스터어빈의 연소기에는 상기와 같은 여러가지 문제점이 있으므로, 현상태의 연소기기 가스터어빈의 희석공기나 냉각공기가 적게 혹은 없게 하면서 그 가스온도를 소요온도로 한다는 과제가 있다.

예를 들면, 현상태의 연소기출구가스온도 1100℃, O₂=16%. NO_x50ppm, O₂=O% 환산 840ppm을 1100℃, O₂=4%, NO_x50ppm, O₂=0% 환산62 ppm의 연소기가 되면 종래의 가스터어빈의 기술이 그대로 쓸수 있게 되어, 그로써 출력열효율이 함께 대폭으로 개선되는 것이 된다.

이에 의해, 상기의 여러가지 문제점이 해결되어 보다 전진한, 보다 쓰기 쉬운, 이용범위가 넓은 가스터어빈이 된다는 것이 된다.

본 발명의 목적은 상기의 여러가지 문제점이 해결에 있다.

본 발명은 사업용 혹은 산업용의 가스터어빈 발전장치에 사용되는 가스터어빈의 연소기에 희석 공기 또는 냉각 공기를 사용하는 일 없이, 연소공기만으로 연료를 연소시키는 열흡수용수관 내삽형 연소실을 갖춘 것을 특징으로하는 관소연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 연소기로써는 제3도에 표시하는 것같은 열흡수용 수관내삽형 연소실 소위 관연소형 연소기 일본국 특허공개 헤이세이 2-272207, 특허공개 헤이세이 2-178502)를 채용하고, 해당 연소실의 수관 군안에서 연료를 연소시켜서, 그 출구가스온도를 가스터어빈 소망의 온도로하고, 또 그 연소가스중의 산소(O₂)농도는 통상의 보일러의 연소실출구가스의 O₂농도와 같은 1~3%정도로 되게 한다. 그렇게 함으로써 상기 한 것같이 연소공기외에 다량의 희석공기나 냉각공기를 공급하는 일없이, 연소공기만으로 연소시켜서 본 발명의 연소기안에서의 연소온도가 900~1200℃정도의 일정온도로 후류의 가스터어빈 소망의 온도와 유량으로 배출되도록 되어, 연소-전열-냉각이 연속해서 행하여지는 것에 의해 NO_x의 발생이 낮고, CO의 발생도 없고, 소망의 가스터어빈입구의 가스조건이 얻어진다. 더우기 그때까지의 연소열이 수관군에 흡수되어, 고온 고압증기로써 얻어지므로 그 만큼 발전량 및 이용가능증기의 열량이 증가하는 이점이 있다. 그때문에 전열효율이 향상하게 된다.

[실시예]

다음에 본 발명을 도면에 의해서 설명한다.

제9도는 종래형의 가스터어빈 증기터어빈 컴바인드 사이클의 개략도를 표시하는 것이며, G₁은 제1발전기, CP는 압축기, CB는 연소기, GT는 가스터어빈, CD는 조연 버어너, B는 배기열 회수형 보일러, DNO_x는 탈초장치, ST는 증기터어빈, G₂는 제2발전기, Cn은 콘덴서, P는 보일러 급수펌프, 증기 1, 증기 2는 프로세스용이나 가열용 증기, E는 굴뚝으로의 배기가스닥트이다.

연료 1은 연소기로의 연료, 연료 2는 조연버어너 CD로의 공급연료를 표시한다.

제1도와 제2도는 본 발명의 한 실시예를 표시하는 것이며, 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 시스템을 표시한다.

CB가 본 발명의 관소 연소형 연소기이며, 여기서 발생한 증기는 제1도에서는 가스터어빈 GT와는 별개축의 증기터어빈 ST₁에 공급되어서 발전기 G₂에서도 발전된다.

물론 GT에 의해 G₁에서도 발전된다. 더욱이 후류의 배기열 회수형 보일러 B의 발생증기는 단독으로 별개의 증기터빈 ST₂로 공급되어서 발전기 G₃에서도 발전된다.

이 경우, CB로부터의 증기를 배기열 회수형 보일러로 부터의 증기에 병합해서 증기터어빈 ST₂로 공급하는 시스템으로하는 것도 가능하다.

제2도의 실시예에서는 본 발명의 관소 연소형 연소기 CB에서 발생한 증기는 GT와 동일축의 증기터어빈 ST₁에 공급되어서 발전기 G₁에서 발전하는 것이 가능하다. 또는 후류의 배기열 회수형 보일러 B로부터의 발생증기와 합류해서(도시되어 있지 않음) 증기터어빈 ST₂로 유도하는 것도 가능하다.

이는 모두 컴바인드 사이클의 사이클 위로부터 선정하면 좋다.

더욱이 본 발명은 필요로하는 발전량과 열수요상 열전비(熱電比)가 변화하기 때문에 각각에 합치하는 복합 사이클을 조합하는 일이 가능하고, 그 열수요나 필요한 증기의 압력 레벨에 응해서 제1도와 제2도에 있어서의 각 터어빈 및 증기 1, 증기 2, 증기 3등의 공급이 가능하다. 이런 경우, 배기열 회수형 보일러 B를 연소기 CB와 같이 소위 관소연소형 연소리로하고, 조연 버어너 CB부착함으로써 더욱이 열전비율을 바꿀수 있어서, 본 발명의 적용범위가 넓어진다.

본 발명의 관소연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 시스템의 연소기부분의 한실시예를 제3도에 표시했으며, 본 발명의 아이디어는 다음 특허에 기초하고 있다. 즉, 일본국 특허공개 헤이세이 2-272207(수관식보일러와 그 연소방법) 및 특허공개 헤이세이 2-178502(수관군을 구비한 보일러)에 입각하고 있다.

전자(일본특허공개공보 헤이세이 2-272207호)의 단일단계식 실시예는 본 발명의 제3도의 배열에 해당하는 것이다.

제3도에 있어서 CB가 본 발명의 관소 연소형 연소기이다. 1은 로내열흡수용수관, 2는 로벽수냉관, 3은 증기드럼(제4도), 4는 관헤더, 5는 버어너이다.

제4도는 제3도는 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.

제5도는 본 발명의 다른 실시예이며, 6에서는 수면을 표시한다.

제6도는 제5도의 단면도를 표시한다. 제7도는 코일모양수관에서 연소실내수관 및 주위수냉병을 구성하는 방식의 본 발명의 연소기의 다른 한 실시예를 표시한다.

제8도는 제7의 관소 연소형 연소기사이의 코일모양수관의 한 실시예를 표시한다.

본 발명의 효과를 요약하면 본 발명의 연소기안(CB)에서의 연소온도는 900~1200℃정도의 일정온도이기 때문에 연소기(CB)로 부터 발생하는 NO_x량이 적고, CO, UHC의 발생이 없고, 더욱이 본 발명의 연소기(CB)를 채용함으로써 발전량 및 이용 가능한 증기 열량이 증가하고, 그 때문에 전열효율이 향상한다. 게다가, 연소공간을 현저히 작게 따라서 전 설비의 점유 공간을 적게 할수 있기 때문에 가스터어빈의 이용범위가 넓어지는 이점이 있다.

Claims (12)

1. 가스 터어빈 장치에 있어서, 예정된 가동온도 범위를 갖는 가스터어빈(GT)을 상기 가스터어빈(GT)의 하류에 연결되어 상기 가스터어빈(GT)의 배기가스의 폐기열을 사용하기 위한 배기열 회수형보일러(B)와, 상기 가스터어빈의 상류에 연결되어 연료와 연소용공기를 수납함으로서 연료를 연소시켜 상기 가스터어빈(GT)을 구동하는 관소 연소형 연소기(CB)로 구성되며, 상기 관소 연소형 연소기(CB)는 연소실을 구비하고, 희석용 공기나 냉각공기가 연소가스내로 투입됨이 없이 연소가스가 상기 가스터어빈(GT)내로 들어가기 전에 상기 예정된 범위내의 일정온도로 상기 연소가스를 냉각시키는 수단을 구비하며, 상기 수단은 상기 연소실내에 열흡수용 수관(1)을 연료가 상기 열흡수용 수관(1) 주위에서 연소할수 있도록, 상기 연소실내에 위치하는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 열흡수용 수관(1)은, 연료가 상기 열흡수용 수관(1)주위에서 연소할 수 있도록, 상기 관소형 연소기(CB)의 연소실 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 배기열 회수형 보일러(B)는 추가적인 연료(2)를 수납하는 조연버어너(CB)를 장착함과 함께, 열흡수용 수관(1)이 배치된 연소실을 구비하는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 연소실의 상기 열흡수용 수관(1)은, 상기 연소실에서 발생하는 수증기가 증기터어빈(ST₁)을 구동할 수 있게끔 상기 증기터어빈(ST₁)에 연결되어 있음을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 배기열보일러(B)는 제2증기터어빈(ST₂)에 연결되어, 상기 배기열 회수형 보일러(B)에서 발생된 증기가 상기 제2증기터어빈(ST₂)을 구동하게 하며, 상기 가스터어빈(GT)과 상기 두개의 증기터어빈(ST₁,ST₂)은 발전기(G₁,G₂,G₃)에 연결된 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스터어빈(GT)은 제1발전기(G₁)에 연결되고, 또, 상기 연소기(CB)에 공급되는 공기를 압축하는 압축기(CP)에 연결되어, 상기 제1발전기(G₁)와 상기 압축기(CP)를 구동하며, 상기 연소기(CB)는 제1증기터어빈(ST₁)에 연결된 열흡수용 수관(1)을 구비하여, 상기 연소실에서 발생된 증기로서, 상기 제1증기 터빈(ST₁)을 구동하며, 상기 배기열 회수형 보일러(B)는 제2증기터어빈(ST₂)에 연결되어, 상기 배열기 회수형 보일러(B)에서 발생된 증기로서 상기 제2증기터어빈(ST₂)을 구동시키는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 연소기(CB)는 추가적으로 상기 제2증기터어빈(ST₂)에 연결된 상기 열흡수용 수관(1)을 구비하여, 상기 열흡수용 수관(1)과 상기 배기열 회수형 보일러(B)로 부터의 증기로서 상기 제2증기터어빈(ST₂)을 구동하는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 제1증기터어빈(ST₁)은 상기 제2증기터어빈(ST₂)의 증기 인입구에 연결된 증기 출구를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2증기 터빈(ST₁,ST₂)은 제2 및 제3발전기(G₂,G₃)에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
10. 제6항에 있어서, 상기 제1증기터어빈(ST₁)은 역시 상기 발전기에 연결된 것을 특징으로 하는 관소연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 배기열 회수형 보일러(B)는 하나의 버어너(5)를 부착하고 있어, 추가적인 연료(2)를 수납하며, 또, 하나의 연소실을 구비하고 있어, 이 연소실에는 하나의 열흡수용 수관(1)이 배치되며, 상기 열흡수용 수관(1)은 증기를 발생하여 상기 제2증기터어빈을 구동하는 것을 특징으로 하는 관소연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.
12. 제1항에 있어서, 복수개의 수관들이 상기 연소실을 통하여 연장함을 특징으로 하는 관소 연소형 연소기를 구비한 가스터어빈 장치.